PERANCANGAN PERAGA SENSOR KETUKAN UNTUK MEDIA PEMBELAJARAN DESIGN OF KNOCK SENSOR MODEL FOR INSTRUCTIONAL MEDIA

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto

VANOS JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING EDUCATION http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/vanos ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700 Vol.1, No.2, Desember 2016, Hlm.135-142.

PERANCANGAN PERAGA SENSOR KETUKAN UNTUK MEDIA PEMBELAJARAN DESIGN OF KNOCK SENSOR MODEL FOR INSTRUCTIONAL MEDIA Dwi Sudarno Putra1, Donny Fernandez1, Yogianda Aprilindo1 1Pendidikan Teknik Otomotif, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Padang, Jl. Prof. Dr. Hamka, Kampus UNP Air Tawar, Padang 25132 [email protected] Diterima: 27 Oktober. Disetujui: 21 November 2016. Dipublikasikan: 30 Desember

ABSTRACT The sensor is part of the electronics technologies. In fact, sensor technology is widely used in various fields of life, including automotive. Even the development of automotive technology today leads to the use of sensors and actuators combined with the function of the electronic control unit (ECU). For most junior automotive learners, knowledge of the sensor is a new thing. Understanding of the fundamentals of a technology is absolutely necessary before proceeding to more complex discussion stage. For that it is necessary to the development of a method of learning about the sensors that are practical, efficient and close to the automotive technology so that junior automotive learners able to understand the basics of sensor quickly. This journal describes the research that has successfully developed the knock sensor experimental module . This sensor is one of important sensors in the automotive field. The method used is the method of Research and Development. Keywords: automotive sensors, position sensors, knock sensors, instructional media

ABSTRAK Sensor merupakan bagian tak terpisahkan dari bidang ilmu elektronika. Teknologi sensor dalam perkembangannya banyak dimanfaatkan di berbagai bidang kehidupan, termasuk bidang otomotif. Bahkan perkembangan teknologi otomotif saat ini mengarah pada penggunaan sensor dan aktuator yang dipadu dengan fungsi unit pengaturan elektronis (ECU). Bagi sebagian besar peserta didik jurusan/bidang otomotif, pengetahuan tentang sensor merupakan hal yang baru. Pemahaman dasar-dasar sebuah teknologi mutlak diperlukan sebelum berlanjut ke tahap pembahasan yang lebih luas dan kompleks. Sehubungan dengan dua hal di atas maka dirasa perlu untuk mengembangkan sebuah metode pembelajaran tentang sensor yang praktis, efisien dan dekat dengan teknologi otomotif agar peserta didik dari jurusan/bidang otomotif mampu dengan cepat memahami dasar-dasar dari sensor. Jurnal ini mengungkapkan hasil penelitian yang telah berhasil mengembangkan peraga sensor ketukan. Sensor tersebut merupakan salahsatu sensor penting dalam bidang otomotif. Metode penelitian yang digunakan adalah metode Riset dan Development. Kata Kunci: sensor otomotif, sensor posisi, sensor ketukan, alat peraga sensor

135 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto PENDAHULUAN

dalam kaitannya dengan efisiensi kinerja

Kehidupan manusia modern tidak bisa lepas dari pemanfaatan sensor dan tranduser. Seperti yang sudah diketahui bersama awal sensor dan tranduser adalah dari bidang elektronika. Bidang otomotif adalah

salahsatu

bidang

yang

secara

perlahan tapi pasti mulai memaksimalkan peranan teknologi sensor dan tranduser. Bahkan ada yang telah mengelompokkan kajian otomotif dan elektronik ini ke dalam bidang turunan baru yaitu Ototronik. Dahulu,

sistem

untuk

menggerakkan motor bensin maupun motor disel didominasi oleh proses mekanis. Namun sekarang proses mekanis di dalam sebuah kendaraan telah dibantu oleh sistem elektronis yang terkendali secara otomatis. Hal ini tidak hanya meningkatkan efisiensi kerja mesin namun juga meningkatkan kenyamanan

dan

keamanan

selama

berkendara. Sensor dan tranduser banyak digunakan dalam sistem elektronis ini. Sebagai contoh, untuk mengetahui seberapa banyak udara yang akan masuk ke proses

pembakaran

maka

diperlukan

sebuah sensor aliran udara atau sensor masa udara (MAF). Contoh lainnya adalah untuk

mengetahui

kadar

kandungan

oksigen maka digunakanlah sensor oksigen (O2 Sensor). Ada juga Knock Sensor yang berprinsip pada sifat Piezoelectric yang digunakan untuk mengetahui ritme ketukan yang terjadi di blok silinder mesin. Ketiga contoh tersebut adalah penggunaan sensor

mesin kendaraan. Tidak hanya itu, sensor juga dapat digunakan

dalam

sistem

keamanan

kendaraan seperti pada sistem pengereman ABS (Antilocked Braking System) yang memanfaatkan

informasi

dari

sensor

kecepatan pada setiap roda. Ada juga sistem Active City Stop yang diperkenalkan oleh salah satu produsen otomotif, sistem ini mampu

memantau

kendaraan

atau

halangan di depan mobil hingga jarak sekitar 7,6 meter. Sistem ini menggunakan sensor Light Detection And Ranging yang tersemat di bagian atas kaca depan. Dan masih banyak lagi sensor – sensor

yang

digunakan

dalam

bidang

otomotif. Teknologi sensor menjadikan perkembangan kendaraan menjadi semakin “pandai” atau lebih dikenal dengan sebutan Smart Vehicle atau Smart Car. Tuntutan perkembangan ilmu dan juga teknologi otomotif seperti yang telah dipaparkan di atas

“memaksa”

peserta

didik

teknik

otomotif untuk mempelajari tentang Sensor dan Tranduser. Sejak tahun 2010 Jurusan Teknik Otomotif UNP memasukkan mata kuliah

sensor

dan

tranduser

pada

kurikulum Prodi S1 dan D3. Mengingat mata kuliah ini masih tergolong baru maka upaya pengembangan terus dilakukan, termasuk ketersediaan sarana yang masih minim seringkali membuat proses belajar belum dapat dilakukan secara maksimal. Beberapa

alat

peraga

tentang

sensor dan tranduser yang ada di pasaran cenderung menggunakan pendekatan ilmu

136 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto elektronika. Bagi peserta didik jurusan

Sensor di Bidang Otomotif

teknik otomotif penggunaan alat peraga

Fraden

semacam itu terkadang kurang efektif

mengungkapkan

karena beberapa alat peraga tersebut harus

didefinisikan

memerlukan

menerima

pengetahuan

awal/dasar

Jacob

(2010)

bahwa

sensor

sebagai

dan

piranti

merespon

yang

sinyal

atau

tentang ilmu elektronika. Tujuan dari

stimulus. Masih dari buku yang sama

penelitian yang sudah dilakukan kali ini

disebutkan ada beberapa prinsip fisis dasar

adalah untuk membuat sebuah peraga

yang mendasari proses penginderaan oleh

sensor ketukan sedemikian rupa sehingga

sensor. Prinsip dasar tersebut adalah:

penggunanya dapat melihat sinyal keluaran

Konsep Kelistrikan (Tegangan, Arus dan

sensor ketukan, memahami karakteristik

Hambatan),

sensor ketukan yang didasari oleh prinsip

Elektromagnetik, Efek Piezoelektrik, Efek

fisis efek piezoelektrik.

Pyroelektrik,

kapasitansi, Efek

Induksi

Hall,

Efek

Thermoelektrik.

LANDASAN TEORI

Karakteristik dari sebuah sensor mutlak untuk dipahami bagi setiap user

Alat Peraga Pendidikan Pengertian Alat Peraga Pendidikan

yang

ingin

menggunakannya.

menurut Sudjana (2009) adalah suatu alat

menuruta

yang dapat diserap oleh mata dan telinga

Karakteristik yang dimiliki oleh sebuah

dengan tujuan membantu guru agar proses

sensor bisa jadi satu atau beberapa hal

belajar mengajar siswa lebih efektif dan

berikut ini; Transfer Function, Full-Scale

efisien2) oleh sebab itu peraga pendidikan

Input (Span), Full-Scale Output, Akurasi,

hendaknya

Kalibrasi,

dibuat

sedemikian

rupa

Fraden

Jacob

Masih

Hysteresis,

(2010),

Saturation,

sehingga mudah untuk digunakan dan

Repeatability Eror, Deadband, Resolution,

mudah untuk dipahami. Agar pemahaman

Sifat Khusus, Impedansi Output, Format

cepat didapatkan maka sebuah alat peraga

Keluaran, Eksitasi, Karakteristik dinamis,

hendaknya dibuat sedekat mungkin dengan

Faktor

pengetahuan awal yang telah dimiliki oleh

Karakteristik, Aplikasi dan Ketidakpastian.

Lingkungan,

Reliability,

Misalnya

Karakteristik dari sensor biasanya

seorang dengan latar belakang pendidikan

disebutkan dalam buku petunjuk teknis

teknik

mudah

(data sheet) sensor yang dikeluarkan oleh

memahami konsep tentang sensor jika alat

setiap perusahaan pembuat sensor tersebut.

peraga sensor yang digunakan memiliki

Memahami karakteristik sebuah sensor

kaitan dengan proses yang ada di bidang

akan memastikan sistem penyensoran atau

otomotif.

lebih

yang

akan

menggunakannya.

otomotif

akan

lebih

luas

sistem

pengendalian

akan

berjalan sebagaimana yang diinginkan.

137 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto Pada aplikasi otomotif sensor dan tranduser tidak hanya terbatas pada proses utamanya yaitu mesin otomotif, tetapi juga telah dimanfaatkan untuk fitur keselamatan dan

kenyamanan.

J.

Marek

(2003)

menunjukkan banyak sekali aplikasi sensor (b)

dalam dunia otomotif. Lebih dari 20 aplikasi sensor

yang

diterangkan

dalam

buku

tersebut. Mulai dari Accelerometers,Yaw-

Gambar 2. konfigurasi sebuah Knock Sensor pada sebuah mesin bakar (Toyota Team (1999))

Rate Sensor, Pressure Sensor, Temperature Sensor hingga aplikasi Chemical Sensors.

Efek Piezoelektrik

Sensor Ketukan

Sensor

Salah satu cara untuk mengetahui kondisi sebuah

proses

pembakaran

mesin

di

adalah

dalam dengan

Ketukan

menggunakan

konsep piezoelectric. Dari gambar 1 bagian b, di dalam sensor ini terdapat elemen piezoelektrik

yang

akan

menghasilkan

“mendengarkannya” menggunakan sistem

tegangan manakala tekanan atau getaran

piezoakustik seperti yang diungkapkan J.

mengenai sensor ini. Menurut Toyota Team

Marek (2003). Salahsatu aplikasi dari

(1999)

konsep ini ada pada sensor ketukan atau

mengatur frekuensi dari ketukan mesin.

knock sensor. Menurut Toyota Team (1999)

Prinsip

Sensor Ketukan mendeteksi ketukan pada

dijelaskan pada gambar 2.

sensor

ini

digunakan

penginderaan

untuk

piezoelektrik

mesin dan mengirimkan sinyal tegangan ke bagian ECM (Electronics Control Module). Lokasi sensor ketukan seperti terlihat pada gambar 1 bagian a, terletak pada bagian luar silinder

mesin

untuk

mendengarkan

terjadinya ledakan di ruang bakar.

Gambar 3. Ilustrasi Efek Piezoelektrik pada sebuah Quartz Crystal (Fraden Jacob (2010)) Posisi a adalah manakala kondisi normal semua sisi memiliki potensial Nol karena atom (+) dan (-) di semua sisi saling menetralkan. Saat kondisi b manakala ada tekanan dari sisi kanan dan kiri maka pada sisi atas didominasi oleh atom positif (+)

Gambar 1. Lokasi sebuah Knock Sensor pada sebuah mesin bakar (Toyota Team (1999))

dan yang bawah didominasi oleh atom negatif (-) sehingga terbentuklah polaritas. Pada kondisi c berkebalikan dengan kondisi

138 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto b manakala terjadi peregangan ke arah

METODE PENELITIAN

kanan dan kiri maka pada sisi atas Penelitian dilakukan di laboratorium

didominasi oleh atom negatif (-) dan yang bawah didominasi oleh atom positif (+)

Tranduser

Jurusan

Teknik

bulan Februari 2016 - Maret 2016. Metode

Sinyal Keluaran Sensor Diambil dari Toyota Team (1999) bentuk sinyal keluaran dari sensor ketukan saat terjadinya ketukan seperti terlihat pada gambar 3. Ketika terdeteksi adanya ketukan maka nilai tegangannya akan naik (Gambar 3 a). Kemudian vibrasi yang terjadi dari knocking mesin akan menggetarkan elemen sehingga

dan

Otomotif Universitas Negeri Padang pada

(Fraden Jacob (2010)).

piezoelektrik

Sensor

menimbulkan

tegangan, dan tegangan yang terjadi pada saat inilah yang terbesar nilainya (Gambar 3 b) .

penelitian yang digunakan adalah metode Penelitian

Pengembangan

Development).

(Research

Penelitian

diawali

and

dengan

mengumpulkan data awal yang meliputi kebutuhan

sistem/alat

dikembangkan,

mendesain

yang

akan

alat

peraga,

membuat peraga dan melakukan pengujian alat peraga. Peraga menggunakan

dibuat sebuah

dengan

sensor

ketukan

(knock sensor), pipa dan piston, motor listrik dan pengontrol kecepatannya. Untuk melakukan pemakaiannya

pengujian

sekaligus

dibutuhkan

sebuah

osiloskop. HASIL DAN PEMBAHASAN

(a)

Desain dan Hasil Alat Peraga Sensor Ketukan Peraga dirancang menggunakan sebuah silinder dengan satu sensor ketukan. Untuk

menggerakkan piston di dalam

silinder digunakan

motor

listrik yang

dilengkapi pengatur kecepatan. (b) Gambar 4. Bentuk sinyal keluaran sensor

139 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto karakteristik keluaran sensor. Pengujian keduanya

dapat

diperoleh

dari

hasil

pembacaan osiloskop. Gambar 6 adalah contoh hasil pembacaan osiloskop.

Gambar 5. Desain peraga Sensor Ketukan Penutup dilengkapi

dengan

diujung baut

silinder

spring

yang

dimaksudkan untuk menimbulkan efek ketukan. Alat peraga sensor telah selesai

Gambar 7. Contoh pembacaan osiloskop

dibuat dan hasilnya dapat dilihat seperti pada gambar 4 dan gambar 5.

Terlihat bahwa getaran yang ada pada mesin dalam hal ini peraga praktikum terbukti listrik

dapat yang

menimbulkan

dikeluarkan

tegangan

oleh

sensor

ketukan. Hal ini sesuai dengan konsep prinsip

fisis

penginderaan

efek

piezoelektrik. Kemudian

jika

dilihat

bentuk

gelombang pada gambar 6 hampir serupa dengan gambar 3 bagian b ada bagian yang beramplitudo beramplitudo

rendah tinggi.

ada

Komponen

yang sinyal

gelombang yang ada di gambar 6, bagian Gambar 6. Peraga Sensor Ketukan Ujicoba dan Pembahasan Peraga praktikum sensor ketukan telah berhasil dibuat. Selanjutnya adalah pengujian fungsi dari alat peraga ini. Uji

yang memiliki amplitudo tinggi adalah puncak dari ketukan atau saat dimana piston menyentuh bagian penutup sehingga waktu

dari

puncak

satu

ke

puncak

berikutnya adalah waktu sekali putaran piston.

yang dilakukan meliputi uji prinsip fisis penginderaan efek piezoelektrik dan uji 140 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto KESIMPULAN Alat ketukan

peraga

DAFTAR PUSTAKA

praktikum

telah berhasil

sensor

dirancang dan

dibangun dalam penelitian ini. Dari hasil ujicoba ketukan

alat

peraga

praktikum

sensor

ini

dapat

digunakan

untuk

membuktikan prinsip fisis penginderaan efek

piezoelektrik

karakteristik

sinyal

dan

membuktikan

keluaran

sensor

ketukan. Semakin kuat ketukan maka semakin tinggi sinyal yang dihasilkan dan

Fraden Jacob (2010). Handbook of Modern Sensors Physics, Designs and Applications 4th Edition, New York : Springer J. Marek (2003). Sensors for Automotive Applications, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Nana Sudjana, Ahmad Rivai (2009). Media Pengajaran. Bandung : Sinar Baru Algesindo Toyota Team (1999). Automotive Technical Training Series. Diambil pada tanggal 10 Agustus 2015, dari http://www.autoshop101.com.

frekuensi dari gelombang sinyal keluaran bergantung pada kecepatan ketukan yang diterima oleh sensor ketukan.

141 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700

Dwi Sudarno Putra, Donny Fernandez dan Yogianda Aprilianto

142 | VANOS Journal Of Mechanical Engineering Education Vol.1, No.2, Desember 2016

ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700